黄庄水库溢洪道阶梯消能工研究

方丽君

（万年县河道堤防管护中心，江西 万年 335500）

0 引 言

随着台阶式溢洪道在水库工程中的推广应用，溢洪道阶梯消能工问题也更加受到设计人员关注，台阶可使溢洪道消能率显著增大，使下游消力池规模减小，节省工程投资。现阶段，对溢洪道阶梯消能工的研究主要围绕总消能率展开，总消能率包括光滑面消能和台阶消能两个方面，无法准确反映溢洪道阶梯消能性能，也不能体现阶梯消能对溢洪道总消能率的贡献。文章依托具体的水库工程，通过构建水库溢洪道阶梯消能工模型，对溢洪道阶梯消能特性展开研究，以期为溢洪道水工建筑物安全高效运行提供参考。

1 工程概况

黄庄水库位于余江县北部信江河下游右岸一级支流黄庄河主支上游，黄庄乡东源村小毛家附近，距离余江县城约35km。水库溢洪道位于右肩，按开敞式土基泄槽结构设计，泄槽段局部设置浆砌石防护。溢洪道处地势平坦，为筑坝过程中所形成的平缓阶地；溢洪道进口段位于右岸坝前库区，引水渠两侧地基为结构松散、厚度在2.0～5.0m 之间的上更新统坡洪积低液限粉土；下层为结构密实，厚度在20m 以上是更新统洪积低液限黏土。出口消能段位于右坝肩岸坡下游，并以结构密实，厚度在18m 以上的中更新统洪积低液限黏土为持力层；现状溢洪道未设置控制闸。

2 有限元模型

2.1 模型构建

应用AutoCAD 软件创建该水库溢洪道阶梯消能工模型，并导入ANSYS 有限元软件的fluent meshing 模块[1]。与物理模型对应，几何模型由台阶前水平段、台阶段、台阶尾部水平段等部分组成，长度依次为0.6m，1.08m，0.6m，沿水流向为X 轴，模型高度向为Y 轴，横向为Z 轴。

应用ANSYS 软件的fluent meshing 模块展开网格划分，为提升网格划分质量，通过非结构多边形网格划分模型并在台阶壁面处加密。网格最大、最小尺寸分别为0.4cm 和0.1cm，共包括760 000 个网格。文章主要设计出2 种不同宽度的交错布置台阶式消能工，Ⅰ型台阶消能工的台阶宽度为溢洪道总宽度的1/3，单个台阶宽6.4cm；Ⅱ型台阶消能工的台阶宽度为溢洪道总宽度的1/5，单个台阶宽4.0cm。按照这一尺寸分别创建Ⅰ型和Ⅱ型水库溢洪道台阶消能工模型。

2.2 边界条件

为保证求解结果的准确性，必须合理确定边界条件。此次数值模拟的边界条件包括台阶入口边界、出口边界、壁面边界、大气边界等部分。

1）入口边界：水流在流动过程中自动划分出流动区和上方空气区两个区域，故在设定该边界时，根据水深，将水流流动区设定为速度入口，将上方空气区设定为压力入口。

2）出口边界：主要位于流动发展最为充分的与台阶末端相距60cm 处，结合水流特性，应将其设定为压力边界，并以大气压值为出口压力。

3）壁面边界：均为固壁边界，无滑移。

4）大气边界：台阶上方接触大气，空气自由流动产生压力作用，以大气压值为边界压力。

3 溢洪道阶梯消能特性

3.1 消能工水面线

对于该水库溢洪道交错式台阶消能工而言，因台阶横向缺乏平整性，水面线在横向表现出较大波动，此处对Ⅰ型台阶消能工1#和2#断面水面线展开分析。考虑到Ⅰ、Ⅱ型台阶消能工仅台阶宽度不同，故仅展开中轴纵断面水面线的比较。在40m³/h 的流量下，Ⅰ型台阶消能工1#和2#纵断面水深均呈波浪形态势，且错峰波动，波峰主要产生于台阶凹槽处，波谷则出现在水平台阶面上；4#台阶水流在不同断面水深差最大，且2#断面水面线波动更为剧烈，最大水深也较大；1#断面台阶在多股水流的影响下，挑射能力受到削弱，下泄水面线不高。

根据对不同流量下Ⅰ型台阶消能工1#和2#断面水面线的分析看出，2#断面台阶面消能工存在跌落趋势，而1#断面并不明显。通过分析原因可知，台阶的交错式设计使水流和台阶面碰撞的区段延长，台阶上消能工跌落也较为明显；水流持续向中间集中，故台阶中轴面水面线更为平缓。由于台阶面水流不只是沿水流向自由下泄，还有部分水流沿台阶侧向凹槽内跌落，经凹槽汇集后下泄至下级台阶，使水流碰撞加剧，水能快速耗散，故台阶凹槽处水面线明显高于台阶面水面线。

与Ⅰ型台阶消能工相比，流量40m³/h 时的Ⅱ型台阶消能工在中轴面的水面线变化趋势更加平稳，表明对于宽度更窄的消能工台阶，水流具有更充分的发展空间。

3.2 消能工流态

传统溢洪道台阶水流流态分为滑行水流、过渡水流、跌落水流等。Ⅰ、Ⅱ型交错布置的台阶消能工水流更具紊动性，流态也与传统台阶消能工流态有较大不同。通过比较不同流量下传统台阶消能工与交错布置台阶消能工纵断面看出，交错布置台阶1#断面消能工掺气效果较差，且其掺气主要出现在水流表面，水体间的碰撞使水流和空气接触面积增大，大量空气掺入后使水流能量充分耗散。此外，随着消能工台阶宽度减小，水流起伏变化期间空腔持续消失，水流随即表现出更加充分的发展。

以Ⅰ型交错布置台阶1#断面为例，其所对应的水流流动的形态并无规律，不同等级的台阶末尾处全部表现出挑射特征明显的水流；特别是各级台阶较为倾斜和凹陷的部位必然面临大水深，各向运动的水流在遭遇后必然表现出激烈碰撞，这一过程中少量空气必然被卷入，引起更为强烈的紊动。此外，通过对流量依次为20m³/h、40m³/h、60m³/h下两种台阶效能工形式纵断面的水流流动形态实际分布情况的比较分析看出，Ⅰ型阶梯1#、2#断面水流流动的形态表现出十分迥异的特征，特别是横向的流动形态存在更加凸显的变形；部分水流下泄后直接由台阶结构的顶面持续向同一级台阶结构的斜面流动，此后便表现出激烈的撞击和大面积的旋转滚动。随着流量增大，Ⅰ型阶梯消能工掺气量逐渐减小，当水流量在0.056m³/（s·m）以下时为跌落水流，而当水流量等于0.069m³/（s·m）时为过渡水流，水流流态变化并不明显；且和矩形结构的台阶所表现出的消能性能明显不同，这种采取交错式布置形式的阶梯所对应的消能工具备更加优良的掺气功效，造成滑动形态水流的可能性也明显降低。

3.3 水流流动场的分布

流量条件既定情况下不同体型台阶纵断面所表现出的水体流动场效应显然不同，Ⅰ、Ⅱ两种型式错开布设的台阶结构，当水流跃起于台阶形式尾部后便立即与空气搅动掺杂，这一过程造成水流动能和势能的持续性消耗。台阶表面发生水流下泄后台阶内侧水深超出外侧，水流势能随即转化为动能，在克服台阶摩阻力后动能仍存在部分剩余，促使水流流速增大[2]。此后，水流跃起并持续耗能，在空气阻力作用下流速减缓。待这一股水流持续流动至下一台阶结构时，直接和台阶的相应倾斜面发生碰撞和桩基，进而在相应竖面处表现出不同飞溅角度的强烈旋滚涡流，继续起到能量消耗的效果。考虑到该形式下台阶结构的相应优化调整，很大程度上增大了水流跌落高度，与此同时倾斜面也因为倾斜方向和角度的特殊性，使流经的水流受到重力吸引后折返率降至零，出现旋涡的概率及尺寸也比其余形式的台阶小。值得一提的是，以上这种Ⅰ、Ⅱ型消能工水流在横流方向上表现出的流场几乎同样复杂，结构面部的水流向倾斜面凹槽发生下泄后随即表现出分流和旋涡。而矩形台阶消能工并不具备，矩形台阶水流主要顺着纵断面流动，并于台阶竖直面产生旋涡；其上水流表现为二元流，相应产生二维旋涡形式。而Ⅰ、Ⅱ型消能工台阶面水流为三元流及三维旋涡。总之，Ⅰ、Ⅱ型交错布置台阶消能工水流掺气更加剧烈，能量耗散及消能效果更优。

3.4 压强分布

通过分析交错布置台阶结构处所对应的消能工压强的情况，以阻隔水流在流入期间表现出明显的空间化和空蚀。通过比较分析Ⅰ、Ⅱ等型式的消能工在40m³/h 及60m³/h 等典型流量下所对应的压强程度可以看出，以交错形式设置的台阶消能工在倾斜面与低一级台阶平面相连处恰好为最大压强的位置。假设实际水流对应的流量等级从20m³/h 提高至60m³/h，则所对应的负压区明显增加，两种不同结构的消能工负压区之比主要从35%增大至41%；由于Ⅱ型效能工形式所对应的负压绝对值明显更小，故在其运行过程中出现水流空间化和空蚀的概率不大。

对于实际流量持续增加的工况，台阶平面压强表现出持续变大的变动特征，两种型式的消能工在水流从台阶平面处流过并对台阶相应结构造成冲击之势时，必将于结构的末尾处表现出形态特征明显的挑流，造成结构间隙出现；台阶内外侧实际压强分别增大和减小。

4 溢洪道阶梯消能率

消能效果较好的消能工有效减轻河床压强及水工建筑物负担。经过前述分析，交错布置台阶消能工消能效果较好，但其结构较为复杂，消能率受台阶高度、台阶形式、坡度、流量等诸多因素影响。为此，此处对交错布置台阶消能工紊动能、紊动耗散规律等展开分析，并结合消能率取值情况，探索其消能规律。

4.1 紊动能、紊动耗散规律

紊流速度方差和流体质量乘积的50%即为紊动能，该指标是体现台阶式消能工流场的关键参数，也是反映紊流强度的主要指标；其紊动能方程中的参数项通过体现紊流物理过程，以综合反映流动维持紊流发展的能力[3]。

受分子粘性作用后紊流动能转化成分子热运动动能的速率即为紊流动能耗散率，该指标一般以单位时间内单位质量流体所损耗的湍流动能表示，是体现消能效果的主要参数。由于紊流速度在空间上随机涨落，形成的速度也呈明显的梯度性，在受到分子粘性力作用后凭借内摩擦作用将紊流动能不断转换为分子运动动能。台阶三角区旋涡和台阶碰撞区域是湍流动能耗散的主要区域。

交错布置台阶消能过程可通过紊动能与紊动耗散过程得到合理解释。通过比较40m³/h 流量下Ⅰ型交错布置台阶1#、2#纵断面紊动能和紊动耗散率分布情况看出，交错布置台阶消能工的紊动能分布范围更广，且在凹槽斜面和台阶竖直面相接处的涡流区分布更为集中；由于水流更多汇集于中部断面，膨胀也更为激烈，故中间断面所产生和耗散的紊动能明显比台阶两旁紊动能大，能量耗散也更为充分。

4.2 消能率

台阶上下游水流均符合恒定流条件，故此处通过恒定流能量方程展开消能工水头损失和消能率计算，消能率是上下游断面能量差与上游断面能量之比。不同流量下Ⅰ、Ⅱ型交错布置台阶消能率计算结果见表1。根据表中结果，在30m³/h 的流量下，Ⅰ、Ⅱ型交错布置台阶消能率可达到70%以上；随着流量增大，消能率也呈降低趋势，但降幅均不超出10%，也说明交错布置台阶消能工在流量增大后消能效率并无大规模衰减。

表1 Ⅰ、Ⅱ型交错布置台阶消能率

5 结 论

综上所述，交错布置台阶式溢洪道因台阶和凹槽交错布置，能大大延长台阶碰撞点，使水流从台阶侧面快速交汇至台阶凹槽，提升凹槽处水面线，并增大水面线波动幅度。随着台阶的变窄，水面线也随之变得平滑，减少滑行水流的出现。黄庄水库除险加固工程实施过程中，将原溢洪道形式调整为交错布置台阶式溢洪道，在运行期间，上游水流能量得到快速消耗，工程造价也较低，取得了较好的消能效果，并为类似水利工程溢洪道水工建筑物的设计建造提供了经验借鉴。